滇中引水工程白云岩砂化隧洞涌水突泥处理研究

刘 新 有，胡 开 富，张 文 涛，施 峻 峰，万 宇，周 云 中

(1.云南省滇中引水工程建设管理局 昆明分局，云南 昆明 650000； 2.云南省滇中引水工程建设管理局 玉溪分局，云南 玉溪 653100)

0 引 言

白云岩砂化不仅使岩体强度降低，其溶蚀形成的空腔水体和泥沙聚集也使得周围岩体压力大增，对地下洞室稳定及施工安全造成极大威胁，已成为隧洞工程建设中亟需解决的重要工程地质问题[1-4]。针对白云岩砂化这一特殊的工程地质问题，学者多针对工程实践中遇到的具体问题开展探索，或结合室内试验开展研究。胡相波[5]通过四川省凉山州金沙江支流美姑河坪头水电站地下硐室开挖，系统地研究了白云岩砂化的特征、形成机理及对工程安全的影响，认为白云岩岩溶砂化演化特征为白云岩砂—白云岩(粉)—粉质黏土，并将白云岩砂化发育程度划分为轻微→微弱→中等→强烈→全强5个等级。冯卫等[6]研究表明白云岩整体均匀性溶蚀特点是造成白云岩岩溶砂化的重要原因，认为其发育的主要因素涉及岩性、岩体结构、地下水及其运动特征等。田文启等[7-8]研究了白云岩砂化对地下洞室和山坡稳定性的重要影响，实地查明白云岩砂化特征是针对性采取治理措施的基础。李建国等[9]以滇中引水工程为研究对象，探讨了依据白云岩砂化程度进行隧洞围岩工程地质分类方法。罗昊等[10-11]通过计算、数值模拟和工程实践方法，研究了隧道白云岩砂化段帷幕注浆处理技术的4种关键影响因子，即注浆压力、注浆材料、注浆厚度和注浆工艺。梁驽堂[12]研究表明贵阳地区泥质白云岩受水浸泡后强度迅速降低，地基承载力明显下降。吉卓礼等[13]利用数字散斑技术观测泥质白云岩的单轴压缩过程，并对试验结果进行了解释。郭建强等[14]采用无压浸泡、干湿循环与露天放置等试验方法，研究了泥质白云岩物理力学特性变化规律。王朋朋等[15]以贵州省5座隧道为研究对象，分析了泥质白云岩砂化对隧道稳定性的影响，并提出了围岩加固方法。白玉等[16]从砂化白云岩溶腔发现、定位、识别、处治4个环节，探讨了营尔岭隧道穿越砂化白云岩地段小溶腔处治措施。

目前，关于白云岩砂化的研究多集中于特征、形成机理及围岩加固处理方法和措施的研究，尚缺乏白云岩砂化隧洞发生涌水突泥后的系统处置措施研究。本文以滇中引水工程松林隧洞为研究对象，通过白云岩砂化洞段涌水突泥治理实例，探讨滇中白云岩砂化特征、形成机理及涌水突泥处置方法和措施，为类似隧洞施工中白云岩砂化洞段涌水突泥的防治提供科学基础和经验依据。

1 工程概况

1.1 隧洞概况

滇中引水工程松林隧洞位于昆明市西山区团结街道蔡家社区风摆山，隧洞长4.327 km，高程1 906 m左右，隧洞设计流量80 m3/s，底坡i=1/5 000，断面为马蹄形洞型，净空断面尺寸7.62 m×8.22 m(宽×高)，衬砌厚度0.5～0.6 m。塌方和涌水突泥起始段桩号SLT1+471，围岩类别为Ⅲ类，开挖采用小药量周边光面爆破，每循环进尺约3 m；Ф25系统砂浆锚杆，L=4.5 m@1.5×1.5，挂网φ6@0.15×0.15；0.1 m厚C20喷混凝土。

1.2 工程水文地质条件

1.2.1前期勘察地质条件

该段隧洞穿越风摆山西坡，地面高程1 900～2 200 m，地形坡度20°～40°。最高点位于东侧的风摆山，山顶高程2 625 m，最低点位于北侧的螳螂川河谷，谷底高程1 740 m，其间发育2条规模较大的冲沟，切割深度一般20.0～50.0 m，均为季节性流水冲沟。隧洞开挖至桩号SLT1+471处，埋深约266 m，隧洞上部为新民冲沟右支沟。穿越地层岩性为震旦系灯影组(Zbdn)薄-中厚层状白云岩，岩层产状N70°～80°W，NE∠20°～30°，与洞轴向小角度相交，倾向洞外。该段未发现褶皱、断层构造发育，地下水埋深约20.0～80.0 m。

1.2.2超前地质预报提示地质条件

该洞段采用TSP地震波法进行地质预报，预报成果取用桩号SLT1+458～SLT1+535。据地质预报成果推测：桩号SLT1+458～SLT1+475.5段围岩中节理裂隙较发育，围岩总体为较破碎完整性差，围岩中基岩裂隙水较发育，可能有渗水或淋雨状出水，围岩以Ⅳ类为主；SLT1+475.5～SLT1+509段围岩比前一段差，有变软、变破碎的趋势，围岩中节理、裂隙发育，围岩总体为较破碎，局部为完整性差，围岩以Ⅴ类为主，局部为Ⅳ类，其中SLT1+479.0～SLT1+483.5段和SLT1+493.0～SLT1+502.0段围岩较破碎，岩质较软，极不稳定，拱顶易掉块、坍塌；SLT1+509.0～SLT1+535.0段围岩中节理、裂隙发育，围岩较破碎-完整性差，围岩中基岩裂隙水发育，围岩以Ⅳ类为主，局部为Ⅴ类，其中隧洞里程SLT1+516.5～SLT1+529段可能有线状或股状出水，SLT1+515.0～SLT1+524段和SLT1+529～SLT1+535段围岩较破碎，岩质较软，极不稳定，拱顶易掉块、坍塌，围岩为Ⅴ类。

1.2.3开挖揭露地质条件

隧洞SLT1+471(涌水突泥起始桩号)前段，开挖揭露岩性为震旦系灯影组浅灰、灰白色互层状白云岩，岩层产状N51°E，NW∠6°，与洞轴向小角度相交，缓倾隧洞上游。该洞段岩体以中硬岩为主，节理、裂隙较发育，岩体完整性差，偶见节理密集条带，掌子面岩体为镶嵌-碎裂结构。该洞段位于地下水位以下，地下水埋深约77 m，顶拱偶见滴渗水现象，总涌水量约10 L/min，综合判断该洞段围岩类别为局部不稳定的Ⅲ类。

SLT1+471～SLT1+474(初始塌方段)地层岩性为震旦系灯影组(Zbdn)浅灰、灰黄色薄-互厚层状白云岩，岩体以弱风化为主，顶部及左边墙分布有槽状强风化带。该段白云岩微弱砂化，发育宽度1.0～5.0 cm砂化条带，主要沿层面节理发育，岩溶砂化岩体结构较紧密，岩体总体上较破碎，围岩呈碎裂结构，强风化岩体呈碎屑状结构，掌子面顶部左、右两侧分别揭露一股线状流水，总涌水量约300 L/min，开挖后顶拱碎块状岩体受地下水影响发生持续性掉块，最终形成掌子面及顶拱的塌方。

2 隧洞涌水突泥过程

2.1 第1次涌水突泥

2021年1月30日22：30，SLT1+471～SLT1+474段完成爆破作业进行安全检查时，发现顶拱出现掉块、渗水，掉块最大厚度约50 cm，渗水量逐渐变大。施工方于23：00紧急上报监理方，会同设计方和业主方现场查勘后，决定自桩号SLT1+471后围岩由Ⅲ类调整为Ⅳ类，工字钢间距1.0 m，设置小导管超前支护，23：30开始按方案施工。

1月31日00：20完成顶拱钢支撑1榀，第2榀正在架设，渗水量持续变大，顶拱掉块更加频繁，有较大的塌方风险。为保证作业人员安全，现场管理人员通知现场所有施工人员撤离。00：30，随着涌水加剧，SLT1+471～ SLT1+474顶拱塌方，塌方量约600 m3，塌方体将掌子面全部堵塞，并往进口方向延续20多米。经出水量前后对比，掌子面涌水量约为55 m3/h。12：40左右，松林隧洞SLT1+471处塌方段出现再次塌方并开始涌水突泥，塌方体被冲出约200 m，浸漫松林隧洞高约2 m，塌方量约3 000～4 000 m3，经对比量测涌水量约为150～200 m3/h。洞内近掌子面造孔设备、抽水设备、开关柜全部被掩埋，钻爆台车被冲击损坏。洞内因排水设备被掩埋，积水淹没400 m左右洞段，积水深度30～70 cm。

2月2日08：00时，投入约1 000 m3/h抽排水能力的水泵进行抢排，2月2～15日，排水量约为420～480 m3/h。洞内积水排除后，对涌出物质分段拦挡、分段清淤，2月15日清淤至SLT1+450附近。对上游已支护Ⅲ2围岩洞段(SLT1+437～SLT1+471)加强支护：增加钢支撑I20a@1.0 m，利用锁脚锚管进行锁脚，喷射混凝土封闭钢支撑。

2.2 第2次涌水突泥

2月16日02：00～05：00，上台阶正在进行清理、出渣作业，未扰动掌子面。05：00左右，SLT1+471处塌方段涌水，突然从前期塌方体堵塞着的掌子面喷涌而出，塌方体被冲出约150 m，浸漫松林隧洞深度约1.5 m，塌方量约2 300 m3，经对比量测，瞬时最大涌水量达600 m3/h，稳定后涌水量约为150～180 m3/h。洞内掩埋配电箱4个、电缆120 m、11 kW污水泵4台，出渣车被冲击损坏1辆。涌水突泥发生后，现场紧急疏散洞内人员，无人员受伤，突泥后掌子面基本稳定。

2.3 第3次涌水突泥

2月23日14：30左右，松林隧洞SLT1+471处塌方段从塌方体堵塞着的掌子面突发第3次涌水突泥。塌方体被冲出约100 m，塌方量约4 200 m3，涌水基本稳定后涌水量约为150～200 m3/h。洞内近掌子面造孔设备、抽水设备、开关柜全部被掩埋，钻爆台车被冲击损坏。涌水突泥发生时，作业面附近10多名作业人员紧急疏散，避免了人员伤亡。2月24日10：30左右，掌子面已经基本稳定，抽排积水后参建四方现场查勘讨论处置方案。

松林隧洞涌水突泥未造成人员伤亡，但造成的机械损坏及工程费用增加的直接经济损失达300多万元，延误工期3个月左右。塌方及涌水突泥现场见图1。

3 白云岩砂化隧洞涌水突泥的成因分析

3.1 白云岩砂化的形成

白云岩主要矿物成分为白云石、方解石和石英，偶见含少量隐晶质胶磷矿、磁铁矿。白云岩砂化实质为白云岩中可溶的方解石溶蚀、流失后，不溶物石英砂颗粒富集，填充溶蚀通道形成的砂化现象。张良喜等[1]通过白云岩室内溶蚀试验及微观溶蚀机理研究表明：白云岩整体岩溶作用分为渗透—溶蚀分解—机械崩解等过程。方解石作为胶结物质，结构连接弱，首先被溶解；受方解石溶解影响，白云岩晶体间联结力强度降低，在水流作用下发生机械崩解，形成白云岩砂，经冲刷和风化成岩粉。白云岩溶蚀速率受组成岩石颗粒粒径大小与岩石内部孔隙度的控制，颗粒粒径越大，孔隙度越高，地下水渗透及运移条件越好，越易于溶蚀，中-细晶白云岩>细-粉晶白云岩>粉-泥晶白云岩。松林隧洞涌水突泥段处于中-细晶白云岩地层中，白云岩溶蚀砂化强烈。

3.2 涌水突泥形成机理

2021年1月30日中午，隧洞施工至桩号SLT1+471时，揭露的围岩岩体以中硬岩为主，节理裂隙较发育，岩体完整性差，偶见节理密集带，掌子面岩体镶嵌-碎裂结构，顶拱及掌子面偶见滴渗水现象，总涌水量约20 L/min。2021年1月30日下午，施工下一循环的爆破钻孔时，未发现岩体异常及地下水异常，现场继续按照Ⅲ2类进行开挖。2021年1月30日晚，爆破开挖后，掌子面桩号约SLT1+474开挖揭露的地层岩性为震旦系灯影组(Zbdn)浅灰、灰黄色薄层状白云岩，节理很发育，岩体破碎，特别是揭露的槽状风化带，风化较强，岩体结构多以碎块、碎屑状的散体结构为主，导致顶拱及掌子面围岩自稳时间较短，同时掌子面及顶拱出现大量渗水，以线状流水为主，局部为滴渗水，总涌水量约600 L/min，导致原本破碎的围岩出现持续性掉块，最终形成顶拱及掌子面塌方涌水，造成隧洞及掌子面被埋。首次塌方后，原先较破碎的掌子面及顶拱产生变形及垮塌，特别是局部弱-中等砂化的白云岩碎屑颗粒被涌水带走，导致主干断裂带暴露，在地下水的持续冲蚀下，断层带内松散的糜棱岩、碎裂岩、碎块岩发生软化、垮塌，并随水流冲出。随后断层带内松散物质随地下水冲出，断层带内形成空腔，产生集中径流通道，向掌子面塌方位置集中排泄，涌水量增加至1 900～3 000 m3/d，此时涌水风险等级为A级，最终造成隧洞大规模涌水突泥。在塌方过程中，塌方物质堵塞排水通道，断层带内地下水及塌方物质持续增加造成空腔内水头增高，压力增大，当水头压力大于隧洞内堆积物阻力时，隧洞内堆积物质被挤出，空腔内积水和松散物质倾泻而出，形成二次及三次涌水突泥，此时涌水量增加至3 000～4 000 m3/d。

3.3 前期勘察设计与超前地质预报不足

涌水突泥起始段SLT1+471～SLT1+474没有布置前期地质勘探钻孔，地质判断主要依据为位于SLT1+200和SLT2+875的两个地质勘探钻孔推断。根据该洞段设计蓝图显示，该段围岩类别为Ⅲ类占40%，Ⅴ类占60%，没有大变形风险提示，没有断层构造带围岩稳定风险提示，也没有涌水突泥风险提示，总体为低风险洞段。事后调查发现，发生涌水突泥的白云岩砂化洞段对应地表有一处较为明显的断裂型冲沟，且有多处泉眼出露。该洞段设计蓝图与实际揭露的地质情况不符且没有风险提示的问题，主要是前期踏勘不详细及勘探钻孔间距过大所致。

施工超前地质预报主要采用TSP、TGS、地质雷达等物探方法，由于隧洞地质条件的复杂性和多变性，超前地质预报无法准确无误地判定不良地质段的桩号以及涌水量，特别是设计线外地质情况并未在探测范围之内。在多次地质预报判定前方围岩情况和实际揭露不符以后，地质预报成了应付检查的工具，未得到有效利用。涌水突泥发生后，对照检查地质预报在该部位的地质情况时，发现地质预报判定的Ⅴ类较差围岩从桩号SLT1+479起，而实际在1+471顶部就已经出现塌方，偏差达到8 m，地质预报误差较大。

4 白云岩砂化隧洞涌水突泥处置

4.1 处理方案

涌水突泥出现后，现场管理人员迅速组织人员设备撤离并安排专人进行巡查，同时报告现场监理，监理单位迅速组织四方到现场研究处理方案。主要处理措施布置见图2。

(1) 对隧洞涌水进行抽排，待掌子面处于稳定状态后，及时对掌子面进行超前探测，进一步探明掌子面附近水文地质及坍塌情况；同时组织对涌出物分段拦挡、分段清淤；掌子面倾及反压体挂钢筋网喷粗纤维混凝土封闭，并利用自进式管棚对掌子面及前方顶拱10 m高度之内渣体进行固结灌浆，增加渣体强度，确保掌子面稳定，防止涌水突泥再次发生。

(2) 鉴于涌水突泥方量较大，为确保已开挖支护洞段的隧洞安全，对已完成开挖支护的SLT1+437～SLT1+471 洞段进行加强支护。① 增加I20 a钢支撑，采用锁脚锚管进行锁脚，钢支撑隔榀增加底板横撑。② 该 34 m洞段边顶拱采用小导管进行径向灌浆加固围岩。③ 根据现场情况，掌子面退回13 m，自桩号SLT1+458开始，顶拱180°范围按大小角度交错布置自进式超前大管棚及小导管，边墙设置超前小导管进行超前支护，局部砂化严重洞段增设随机小导管加强支护。

(3) 根据现场实际情况，选取适当位置在洞周设置超前排水孔，按大小角度交错、分层次布设，释放岩体内水压力。

(4) 采用超前地质预报进行空腔排查，如发现空腔，采用C20混凝土进行回填。

(5) 自桩号SLT1+471开始，按照隧洞过断层构造带围岩稳定及涌水突泥综合防治措施A类洞段进行开挖支护，截止桩号由现场设计代表根据现场实际情况确定。

(6) 施工过程中加强安全变形监测，严格进行安全管理工作，发现异常情况及时报告和处理，确保施工安全。

4.2 处理措施

根据处理方案，施工单位细化处理措施，迅速组织实施，具体处理措施如下：

(1) 投入约1 300 m3/h抽排水能力的水泵进行抢排，待掌子面处于稳定状态后，立即组织对涌出物质分段拦挡、分段清淤，确保安全。

(2) 及时对掌子面上下游进行超前探测，进一步探明掌子面附近水文地质条件、空腔、水压、水量等情况。

(3) 处理过程中依次对SLT1+445、SLT1+458、SLT1+465位置进行石渣反压及堆码沙袋加固，掌子面及反压体挂钢筋网(φ6@0.15 m×0.15 m)+喷粗纤维混凝土(C20，厚30 cm)封闭，防止涌水突泥继续发展。

(4) 利用自进式管棚在SLT1+445打孔对反压体以及顶拱塌方体进行灌浆，灌浆分两部分进行。① 造孔对SLT1+445～SLT1+471顶拱10 m高度之内渣体进行灌浆(Φ76@1 m，L=30 m，灌浆压力1～2 MPa)，目的是作为后期开挖的支撑体；② 造孔对SLT1+445～SLT1+471渣体进行灌浆(Φ76@2 m×2 m，L=30 m，灌浆压力0.5 MPa)，目的是胶结渣体，以保证清理过程中渣体稳定。灌浆材料为水泥浆，如水泥浆无法凝结时，使用水泥-水玻璃双液浆。

(5) 对上游Ⅲ2围岩洞段(SLT1+437～SLT1+471)加强支护。① SLT1+437～SLT1+458增加钢支撑I20a@1.0 m；SLT1+458～SLT1+471因临近塌方顶拱存在塌方风险，故SLT1+458～SLT1+471钢支撑设置为I20a@0.5 m，适当扩挖断面以便于增强支护措施施工；所有钢支撑利用锁脚锚管(Φ42，L=4.5 m，每榀钢支撑12根)进行锁脚，钢支撑隔榀增加底板工字钢(I20a)横撑，钢支撑后续浇筑进二衬混凝土中。② 为使钢支撑与支护面紧密相连，使钢支撑受力良好，确保达到支护效果，SLT1+437～SLT1+465边顶拱喷射混凝土(C20，厚度5 cm)进行封闭。③ SLT1+437～SLT1+471边顶拱利用小导管径向固结灌浆(Φ42@1.5 m×1.5 m)，其中SLT1+437～SLT1+458灌浆管深4.5 m，SLT1+458～SLT1+471距离塌方段较近，风险较大，调整灌浆管深为6 m。

(6) 桩号SLT1+458～SLT1+471顶拱180°施做自进式超前大管棚(Φ76@0.3 m×9 m，L=12 m)及超前小导管(Φ42@0.3 m×1.0 m，L=4.5 m)，两侧边墙施做超前小导管(Φ42@0.3 m×2.0 m，L=4.5 m)，局部砂化严重段增设随机小导管(Φ42，L=4.5 m)。

(7) 分别在SLT1+458、SLT1+465、SLT1+471处洞周利用自进式管棚设置超前排水孔Φ76@3 m，孔深20～30 m，角度10°～30°，按大小角度交错、分层次布置，释放岩体内水压力，局部水量较大适当增加排水孔。

(8) 隧洞涌水突泥灾害风险等级为A级，断层级别Ⅱ级，综合防治措施类别为A1类，为确保施工安全，桩号SLT1+471开始进行洞周及掌子面超前注浆(见图3)，白云岩砂化断层段断面加强一次支护(见图4)，现场施工见图5。

(9) 该洞段采用物探法及钻孔法进行空腔排查，对空腔采用C20混凝土进行回填，并预留DN200排水管。

(10) 短进尺、分台阶预留核心土开挖，加强安全监测，确保施工安全。

5 结论与建议

以滇中引水工程松林隧洞为例，对滇中白云岩砂化地层工程地质特性和隧洞涌水突泥的成因与处理技术进行探索，主要结论与建议如下。

(1) 滇中白云岩砂化的特征：白云岩砂化为白云岩中可溶的方解石溶蚀流失后，不溶物石英砂颗粒填充溶蚀通道形成的砂化现象。松林隧洞涌水突泥段处于中-细晶白云岩地层中，白云岩溶蚀砂化强烈。进入白云岩砂化洞段前围岩条件往往较好，导致涌水突泥具有较强的突发性。

(2) 白云岩砂化洞段涌水突泥形成机理：白云岩砂化段节理发育，岩体结构松散，围岩自稳时间较短，掌子面及顶拱发生垮塌，白云岩碎屑颗粒被涌水带走，导致主干断裂带暴露，在地下水的持续冲蚀下，断层带内松散的岩块发生软化和进一步垮塌，随后断层带内松散物质随地下水冲出，断层带内形成空腔，产生集中涌水通道。在塌方过程中，塌方物质堵塞排水通道，断层带内地下水及塌方物质持续增加造成空腔内水头增高，水头压力增大，当水头压力大于隧洞内堆积物阻力时，空腔内积水和松散物质倾泄而出，形成反复涌水突泥。

(3) 白云岩砂化洞段涌水突泥处理措施：① 快速抽排隧洞内积水，清理淤积体，对掌子面前段进行反压以及封闭掌子面，防止涌水突泥继续发展；② 布置超前排水孔，降低空腔水头压力；③ 加固掌子面附近已挖洞段支护，避免发生再次塌方；④ 对渣体进行灌浆形成支撑体，再结合超前大管棚、超前小导管、超前灌浆等超前支护措施，短进尺、零爆破谨慎通过断层带，并加强施工安全监测；⑤ 利用超前探孔进一步探明前方地质和地下水情况，找出空腔位置所在，采用混凝土回填确保围岩稳定。

(4) 值得注意的几个问题：① 超前地质预报是预防白云岩砂化洞段涌水突泥的基础。鉴于白云岩砂化多呈条带状，往往藏身于围岩条件较好的白云岩洞段，涌水突泥具有突发性，只有树立以防为主的地质灾害防治理念，克服侥幸心理，做到“凡挖必探”，才能有效预防。超前地质预报可采取物探与钻探相结合的方法。物探法包括长距离预报方法(TRT、HSP、TGS、TGP法等)和短距离预报方法(激发极化法、地质雷达法、瞬变电磁法等)两种，长距离预报方法探测距离一般在100 m以上，短距离预报方法探测距离一般在30 m左右，各种方法各有特点，应从预报的现场施测和判识两个环节切实提高长短距离物探探测精度水平。地质钻探是最原始也是最可靠的超前地质预报方法。探孔一般向上外插6°～8°角布设，深度30 m左右，前后两循环探孔搭接不小于5 m，确保掌子面前方有稳定岩盘。在富水岩溶发育区域、物探与设计风险提示区域探孔数量应适当增加，一般应覆盖拱顶、拱腰或风险集中区域。② 初期塌方快速封闭和反压处理是预防白云岩砂化洞段涌水突泥的关键。掌子面掉块和塌方是即将发生涌水突泥的前兆，白云岩砂化洞段从开始掉块和塌方到涌水突泥发生，有一段过渡时段(松林隧洞为10 h左右)。该时段若快速喷混凝土封闭掌子面，利用洞渣反压回填增强掌子面稳定性，可有效避免因局部压力进一步失衡导致的涌水突泥灾害。